歸一后的熒光信號再扣除本底,就得到DRn:DRn = Rn,樣本- Rn,空白。DRn是最后構建PCR實時擴增曲線的縱坐標。
無論絕對定量還是相對定量,在得到實驗結果后,還要考慮數據之間的可比性問題。在實驗操作中,取樣都是以體積或重量為單位的,但是同樣體積或重量的樣本所來源的細胞數目并不一樣,所以拷貝/μL或拷貝/ng的定量數據相互之間實際上并不可比。只有將這些數據歸一到以拷貝/細胞或拷貝/基因組為單位后,才可進行嚴格意義上的比較。
這種校正可以通過適當的參比來完成。參比一般選用b-actin、GAPDH、rRNA基因等管家基因。由于它們在細胞中的表達量或在基因組中的拷貝數是恒定的,受環境因素影響較小,其定量結果代表了樣本中所含細胞或基因組的數量。校正方法為:[DNA]樣本/
[DNA]IPC,或者DCT = CT,樣本- CT,
IPC。因為CT值與起始DNA拷貝數的對數是反比關系,可以證明,這兩種計算方法在數學上是等價的。
為了減少誤差,目標基因和參比基因最好在同一反應管內同時進行定量測定,所以這種對照稱為陽性內對照(Internal
Positive
Control,IPC)。要進行IPC歸一化校正,定量PCR儀必須具備多色檢測能力,最好是4色。否則,目標基因和參比基因只能分兩管作定量,就不成其為“內”標了。
5污染的預防和熱啟動
為保證定量的準確性,要預防非特異性PCR擴增和污染。常用的措施有使用UNG酶(Uracil-N-Glycosylase)和熱啟動。UNG酶的作用原理是降解含有dU的雙鏈或單鏈DNA。它在50°C激活,95°C滅活。由于商用PCR試劑盒均以dUTP取代dTTP,所以PCR產物都是含有dU的DNA鏈。在定量PCR開始前增加50°C的保溫步驟,UNG酶即可將已有的PCR產物降解破壞,防止可能造成的污染。
普通的Taq酶即使在室溫下也有一定的活性,如果不采取措施,在加入PCR試劑的過程中、正式PCR開始前就會完成少量PCR擴增,增加了背景,影響定量精度。而金牌Taq酶經過特殊修飾,常溫下其活性部位被封閉,沒有活性;只有經過95°C
10 min的熱啟動以后,封閉被解除,才能開始DNA鏈延伸,這樣就最大限度地減少了雜訊的生成。
6標準曲線、重復實驗和陰性、陽性對照
定量實驗,誤差是不可避免的。設立重復實驗,對數據進行統計處理,可以將誤差降低到最小。所以定量實驗的每個樣本至少要重復3次以上,嚴格的定量更應當重復6~8次,以滿足小樣本統計的要求。
如果作絕對定量,則標準曲線需要在5個點以上。標準曲線使用的標準品是
濃度已知的DNA樣本,可以自己制備,也可以購買商品化的試劑盒。其PCR反應條件應當與未知樣本的一致,以便在同一反應板上同時定量。
陰性對照中不加模板DNA,而以水或緩沖液代替,用于檢驗是否存在PCR污染。陽性對照則用于檢驗PCR試劑和實驗操作上可能出現的問題。如果實驗中設立了IPC,則IPC既可以用來校正數據,也可以起到陽性對照的作用。
7 TaqMan探針技術原理
TaqMan探針法是高度特異的定量PCR技術,其核心是利用Taq酶的3′→5′外切核酸酶活性,切斷探針,產生熒光信號。由于探針與模板是特異性結合,所以熒光信號的強弱就代表了模板的數量。
在TaqMan探針法的定量PCR反應體系中,包括一對PCR引物和一條探針。探針只與模板特異性地結合,其結合位點在兩條引物之間。探針的5′端標記有報告基團(Reporter,
R),如FAM、VIC等,3′端標記有熒光淬滅基團(Quencher,
Q),如TAMRA等。當探針完整的時候,報告基團所發射的熒光能量被淬滅基團吸收,儀器檢測不到信號。隨著PCR的進行,Taq酶在鏈延伸過程中遇到與模板結合的探針,其3′→5′外切核酸酶活性就會將探針切斷,報告基團遠離淬滅基團,其能量不能被吸收,即產生熒光信號(圖4)。所以,每經過一個PCR循環,熒光信號也和目的片段一樣,有一個同步指數增長的過程。信號的強度就代表了模板DNA的拷貝數。
TaqMan探針根據其3′端標記的熒光淬滅基團的不同分為兩種:普通的TaqMan探針和TaqMan
MGB探針。MGB探針的淬滅基團采用非熒光淬滅基團(Non-Fluorescent
Quencher),本身不產生熒光,可以大大降低本底信號的強度。同時探針上還連接有MGB (Minor Groove
Binder)修飾基團(圖5),可以將探針的Tm值提高10°C左右。因此為了獲得同樣的Tm值,MGB探針可以比普通TaqMan探針設計得更短,既降低了合成成本,也使得探針設計的成功率大為提高。因為在模板的DNA堿基組成不理想的情況下,短的探針比長的更容易設計。實驗證明,TaqMan
MGB探針對于富含A/T的模板可以區分得更為理想。
8
SYBR Green I熒光染料技術原理SYBR Green
I是一種只與DNA雙鏈結合的熒光染料(圖6)。當它與DNA雙鏈結合時,發出熒光;從DNA雙鏈上釋放出來時,熒光信號急劇減弱。因此,在一個體系內,其信號強度代表了雙鏈DNA分子的數量。SYBR
Green熒光染料法定量PCR的基本過程是:1、開始反應,當SYBR Green染料與DNA雙鏈結合時發出熒光。2、DNA變性時,SYBR
Green染料釋放出來,熒光急劇減少。3、在聚合延伸過程中,引物退火并形成PCR產物。4、聚合完成后,SYBR
Green染料與雙鏈產物結合,定量PCR系統檢測到熒光的凈增量加大。
SYBR Green I熒光染料能與所有的DNA雙鏈相結合,對DNA模板沒有選擇性,所以特異性不如TaqMan探針。要想用熒光染料法得到比較好的定量結果,對PCR引物設計的特異性和PCR反應的質量要求就比較高。在此前提下,本法是一種成本低廉的選擇。
9定量PCR儀簡介
目前在國內使用得比較多的熒光實時定量PCR儀有美國應用生物系統公司(Applied Biosystems,ABI)的7000、5700、7900、7700型和羅氏公司的LightCycler等。下面以ABI最新推出的7000型為例作簡單介紹。
7000型熒光定量PCR儀設計滿足臨床檢驗、醫學研究和基礎實驗的要求,面向低通量至中等通量的用戶。隨機配置的定量PCR引物和探針設計軟件Primer Express非常有用,因為到目前為止還沒有其他軟件有能力設計定量PCR所需的TaqMan探針。
7000型有實時動態(Real-Time)和終點讀板(Plate
Read)兩種運行模式。實時動態模式用于定量,測定DNA或RNA拷貝數。7000型可以動態顯示PCR擴增曲線的生成,定量的線性范圍大于7個數量級,區分5000和10000個拷貝的DNA模板可信度達99.7%。終點讀板模式用于基因型鑒定、點突變檢測和單核苷酸多態性(SNP)分析等。當然,7000型也可以作為普通PCR儀使用。ABI已經發布12萬個商品化的定量PCR試劑盒,覆蓋人類全部4萬個基因,平均每個基因3個檢測試劑盒,為運用7000、7700、7900型開展課題研究創造了絕佳的條件。
7000型最大特色是具備多色檢測能力,熒光檢測的波長范圍為530~590
nm,能夠有效地分辨FAMTM / SYBR? Green I、VICTM /
JOETM、TAMRATM和ROXTM等熒光染料。多色熒光檢測技術為多重定量、SNP分析、基因型分型和帶陽性內對照的陰/陽性分析提供了基礎。多重定量即在同一反應管內同時對多個目標基因進行定量,可以大大提高精度并節約成本。
7000型支持兩種定量化學:TaqMan熒光探針和SYBR Green I熒光染料。其熔解曲線(Dissociation Curve)功能用于判斷PCR擴增反應是否特異,有無雜帶生成。
進一步閱讀材料基本方法[1]
Lie, Y. S. and C. J., Petropoulos. "Advances in quantitative PCR
technology: 5′nuclease assays." Curr Opin Biotechnol 9: 43-48. 1998.[2]
Orlando, C., P., Pinzani, and M., Pazzagli. "Developments in
quantitative PCR." Clin Chem Lab Med 36: 255-269. 1998.絕對定量[3] Becker
K., D. Pan and C.B. Whitley. 1999. Real-time quantitative polymerase
chain reaction to assess gene transfer. Hum. Gene Ther. 10: 2559-2566,
1999.[4] de Kok, J.B., Hendriks, J.C., van Solinge, W.W., Willems, H.L.,
Mensink, E.J., and Swinkels, D.W. Use of real-time quantitative PCR to
compare DNA isolation methods. Clin.Chem. 44(10): 2201-2204, 1998. [5]
Wang X., X. Li, R.W. Currie, R.N. Willette, F.C. Barone and G.Z.
Feuerstein. Application of real-time polymerase chain reaction to
quantitate induced expression of interleukin-1beta mRNA in ischemic
brain tolerance. J. Neurosci. Res. 59(2): 238-46,2000.相對定量[6] de Kok,
J.B., Ruers, T.J., van Muijen, G.N., van Bokhoven, A., Willems, H.L.,
and Swinkels, D.W. Real
-time
quantification of human telomerase reverse transcriptase mRNA in tumors
and healthy tissues. Clin.Chem. 46(3): 313-8,2000.[7] Moody, A.,
Sellers, S., and Bumstead, N. Measuring infectious bursal disease virus
RNA in blood by multiplex real-time quantitative RT-PCR. Virol. Methods
85(1-2) 55-64,2000.[8] Zhang, A.W., Hartman, G.L., Curio-Penny, B.,
Pedersen, W.L., and Becker, K.B. Molecular Detection of Diaporthe
phaseolorum and Phomopsis longicolla from Soybean Seeds. Phytopathology
89(9): 796-804, 1999.